I
NANO YAPILI METAL OKSİT YARIİLETKENLER KULLANILARAK FOTO DİYOTLARIN
ÜRETİLMESİ
Mehmet ÇAVAŞ Doktora Tezi
Metalurji Eğitimi Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Niyazi ÖZDEMİR
Prof. Dr. Fahrettin YAKUPHANOĞLU TEMMUZ-2011
II ÖNSÖZ
“Nano Yapılı Metal Oksit Yarıiletkenler Kullanılarak Foto Diyotların Üretilmesi” konulu doktora tezimin hazırlanmasında hiç bir konuda desteğini esirgemeyen Danışman Hocalarım Doç. Dr. Niyazi ÖZDEMİR ve Prof. Dr. Fahrettin YAKUPHANOĞLU’na Fen Fakültesi Fizik Bölümü öğretim üyelerinden Doç. Dr. Niyazi BULUT’a Fen Fakültesi Fizik Bölümünü Nano Teknoloji Ve Elektronik Malzeme Araştırma Laboratuarındaki çalışma arkadaşlarım Bayram GÜNDÜZ, Cihat AYDIN ve Yusuf ORMAN’a mesai arkadaşım Öğretim Görevlisi Orhan ŞAHİNDAŞ’a çalışmalarım sırasında her türlü fedakârlığı yaparak desteklerini esirgemeyen eşim ve çocuklarıma sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Bu çalışma Fırat Üniversitesi Bilimsel araştırma projeler (FÜBAP) birimi FÜBAP-TF.10.01 nolu proje kapsamında desteklenmiştir.
III İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖNSÖZ ... II İÇİNDEKİLER ... III ÖZET ... VI SUMMARY ... VII ŞEKİLLER LİSTESİ ... VIII TABLOLAR LİSTESİ ... XIII SEMBOLLER LİSTESİ ... XIV
1. GİRİŞ ... 1 2. YARIİLETKEN MALZEMELER ... 2 2.1. Katkılı Yariletkenler ... 7 2.2. n-Tipi Yarıiletkenler ... 8 2.3. p-Tipi Yarıiletkenler ... 9 2.4. Katkısız Yariletkenler... 10
2.5. Yariletkenlerin Elektriksel Özellikleri ... 12
2.6. Yariletkenlerin Optik Özellikleri... 15
3. FOTO DİYOTLAR ... 17
3.1. Metal Yarıiletken Foto Diyotlar ... 17
3.2. Heteroeklem Foto Diyotlar ... 20
3.3. Foto Diyotların Akım-Voltaj Karakteristiği ... 21
3.3.1. Fotovoltaik Etkiler ... 23
3.3.2. Hacimsel Fotovoltaik Etkiler ... 24
3.3.3. Yüzeysel Fotovoltaik Etkiler ... 25
3.3.4. Fotovoltaik Parametreler ... 25
3.3.4.1. Açık-Devre Voltajı ... 25
3.3.4.2. Kısa-Devre Akımı ... 26
IV 3.3.4.4. Seri Direnç ... 26 3.3.4.5. Şönt Direnci ... 27 3.3.4.6. Kuantum Verimi ... 27 3.3.4.7. Doldurma Faktörü ... 28 3.3.4.8. Foto Duyarlılık ... 30
4. METAL OKSİT YARI İLETKENLER ... 31
4.1. Çinko Oksit (ZnO) ve Özellikleri ... 31
4.2. ZnO’in Katkılanması ... 33
4.2.1. n-Tipi Katkılama ... 33
4.2.2. p-Tipi Katkılama ... 33
4.3. ZnO’in Piezoelektrik Özelliği ... 34
4.4. ZnO’in Elektriksel Özellikler ... 34
4.5. ZnO’in Optik Özellikler ... 34
4.6. ZnO’in Manyetik Özelliği ... 35
4.7. ZnO’in Kimyasal Algılama Özelliği ... 35
4.8. CdO’in Özellikleri ... 36
4.9. Sol Jel Yöntemi ... 37
4.9.1. Sol Jel Kaplama Yöntemleri ... 38
4.9.2. Daldırarak Kaplama Yöntemi (Dip Coating) ... 38
4.9.3. Spin Kaplama (Spin Coating) ... 39
4.9.4. Püskürterek Kaplama Yöntemi (Spray Pyrolysis) ... 39
5. METERYAL VE METOT ... 40
5.1. Deneysel İşlemler ve Ölçüm Sonuçları ... 40
5.1.1. CdO ve ZnO Filmlerin Üretilmesi... 40
5.1.2. CdO ve ZnO Filmlerin Yapısal Karakterizasyonu ... 42
5.1.3. ZnO ve CdO Filmlerinin Optik Sonuçları (UV) ... 50
5.2. Foto Diyotların Hazırlanması ... 57
5.2.1. Al/p-Si/CdO/Al Foto Diyotların Hazırlanması ... 57
5.2.2. Al/p-Si/ZnO/Al Foto Diyotların Hazırlanması... 59
5.3. Al/p-Si/CdO/Al Foto Diyotların Ölçüm Sonuçları ... 61
V
5.3.2. Al/p-Si/CdO/Al Foto Diyotların Kapasite-İletkenlik Voltaj Karakteristikleri ... 64
5.3.3. Al/p-Si/CdO/Al Foto Diyotların Fotovoltaik ve Fotoiletkenlik Karakteristikleri . 77 5.4. Al/p-Si/ZnO/Al Foto Diyotların Ölçüm Sonuçları ... 84
5.4.1. Al/p-Si/ZnO/Al Foto Diyotların Akım-Voltaj (I-V) Karakteristikleri ... 84
5.4.2. Al/p-Si/ZnO/Al Foto Diyotların Kapasite-İletkenlik Voltaj Karakteristikleri ... 87
5.4.3. Al/p-Si/ZnO/Al Diyotların Fotovoltaik ve Fotoiletkenlik Karakteristikleri ... 106
6. SONUÇLAR VE TARTIŞMA ... 120
KAYNAKLAR ... 124
VI ÖZET
Bu tezde katkısız ve katkılı CdO ve ZnO filmler sol jel yöntemi ile hazırlandı. CdO ve ZnO filmler spin coater metodu kullanılarak cam altlık üzerine oluşturuldu. Hazırlanan CdO ve ZnO filmlerin yasak enerji band aralığını belirlemek için absorbans, transmitans ve reflektansları ölçüldü. Filmlerin yapısal özellikleri XRD ve AFM tekniği ile araştırıldı. XRD sonuçları CdO ve ZnO filmlerin polikristal yapıya sahip olduğunu doğruladı.
Hazırlanan Al/p-Si/CdO/Al ve Al/p-Si/ZnO/Al diyotların akım-voltaj, fotoakım, kapasite-voltaj ve iletkenlik-voltaj elektriksel karakterizasyonu ölçümleri gerçekleştirildi. Diyotların arayüzey özellikleri ve elektriksel parametreleri Ni ve Al katkılara bağlı olarak değişti.
Al/p-Si/CdO/Al ve Al/p-Si/ZnO/Al diyotların doğrultma ve fotocevap özellikleri katkı miktarına bağlı olarak değişti. Al/p-Si/CdO/Al ve Al/p-Si/ZnO/Al diyotlarda en iyi foto duyarlılığı %0.1 Al ve Ni katkılar için gösterdi.
Al/p-Si/CdO/Al ve Al/p-Si/ZnO/Al diyotların fotocevap özelliklerinin farklı metal katkılar kullanılarak bu özelliklerin geliştirilebildiği bulundu.
VII SUMMARY
Using Nano-Structured Metal Oxide Semiconductor Production of Photo Diodes
In this thesis, undoped and doped CdO and ZnO films were prepared by sol gel method to fabricate the metal oxide semiconductor based photodiodes. The CdO and ZnO films were grown on the glass substrates using spin coater method. The absorbance transmittance, reflectance of prepared ZnO and ZnO films were measured to determine their optical band gaps. The structural properties of the films were investigated by X-ray diffraction and atomic force microscopy techniques. The XRD results confirm that the ZnO and CdO films have the polycrystalline.
The electrical characterization of prepared Al/p-Si /CdO/Al and Al/p-Si/ZnO/Al diodes were performed by current-voltage characteristics, phototransient current measurements, and capacitance-voltage and conductance-voltage techniques. The electrical parameters and interface properties of the diodes were changed with the content of Al and Ni dopants.
The photoresponse and rectification properties of Al/p-Si/CdO/Al Al/p-Si/ZnO/Al photodiodes were changed by depending on the content of dopant. The Al/p-Si/CdO/Al and Al/p-Si/ZnO/Al diodes indicate the best photosensivity for 0.1 % Al and Ni dopants.
It was found that the photoresponse properties of the Si/CdO/Al Al/p-Si/ZnO/Al diode can be improved using various metal dopants.
VIII
ŞEKİLLER LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 2.1. Çekirdekten uzaklıklarına göre elektron enerji seviyeleri ... 4
Şekil 2.2. a.Yariletkenlerin band yapısı, b. Yariletkenlerde elektron ve boşluk hareketi ... 5
Şekil 2.3. Fermi-Dirac dağılım fonksiyonu ... 6
Şekil 2.4. Yariletkenlerin E-k ve E konum grafiği ... 7
Şekil 2.5. a. As katkılı silisyum Kristali. b.N-tipi yariletkenlerin bant yapısı ... 9
Şekil 2.6. a. Ga katkılı silisyum kristali, b. P-tipi yariletkenlerin bant yapısı ... 10
Şekil 2.7. Katkısız yariletkenlerin farklı sıcaklıklardaki iletim ve valans bandı ... 11
Şekil 2.8. Si kristalinde elektron-hole oluşumu ve bir potansiyel fark ile sağlanan hareket ... 11
Şekil 2.9. T=0 K sıcaklıkta iletim bandı ile valans bandındaki elektron doluluk durumları ve bandların enerji eksenine göre konumları ... 12
Şekil 2.10. a. Fotonun enerjisi, hv, yarıiletkenin enerjisinden büyük olmak şartıyla tek bir fotonun bir elektronu valans bandına uyarması, b. Bir elektron ile bir hole birleşerek enerjisi, hv, olan bir foton üretmesi ... 16
Şekil 3.1. Foto diyotun sembolü, yapısı ve karakteristik eğrisi ... 17
Şekil 3.2. Aydınlatılan bir metal yariletken ekleminin şematik diyagramı ... 18
Şekil 3.3. Foto diyotun Polarmalandırılması ... 19
Şekil 3.4. InP altlık üzerine oluşturulmuş heteroeklem foto diyotlar ... 21
Şekil 3.5. Foto diyotun karanlık ve aydınlatılmış durumlardaki akım-voltaj karakteristikleri ... 22
Şekil 3.6. Foto diyotun, a. V=f(E), I=f(E) eğrileri, b. IK=f(V) eğrileri ... 24
Şekil 3.7. a. Seri ve şönt dirençleri kapsayan bir foto diyodun eşdeğer devresi, b. Bir foto diyodun tipik aydınlatma ve karanlık I-V karakteristikleri, c. ışık şiddetinin fonksiyonu olarak Voc ve Jsc ’leri ... 28
Şekil 3.8. qVoc’nin fonksiyonu olarak Vm/Voc, Im/Isc ve FF’ nin değişimi ... 29
Şekil 4.1. ZnO’in Hekzagonal Würtzite Yapısı ... 32
Şekil 4.2. CdO’in (fcc) Birim Hücre Tipindeki Kristal Örgüsü ... 36
IX
Şekil 5.2. Katkısız ve Ni katkılı ZnO numunelerin X - ışını kırınım desenleri ... 44
Şekil 5.3. Katkısız CdO filmin AFM görüntüsü... 45
Şekil 5.4. %0.1 Al katkılı CdO filmin AFM görüntüsü ... 46
Şekil 5.5. %1 Al katkılı CdO filmin AFM görüntüsü ... 46
Şekil 5.6. Katkısız ZnO filmin AFM görüntüsü ... 47
Şekil 5.7. %0.1 Ni katkılı ZnO filmin AFM görüntüsü... 47
Şekil 5.8. %0.2 Ni katkılı ZnO filmin AFM görüntüsü... 48
Şekil 5.9. %0.5 Ni katkılı ZnO filmin AFM görüntüsü... 48
Şekil 5.10. %1 Ni katkılı ZnO filmin AFM görüntüsü... 49
Şekil 5.11. %2 Ni katkılı ZnO filmin AFM görüntüsü... 49
Şekil 5.12. UV Spektrofotometresi ... 51
Şekil 5.13. Katkısız ve Ni katkılı ZnO filmlerin soğrulma eğrileri ... 51
Şekil 5.14. Katkısız ve Ni katkılı ZnO filmlerin geçirgenlik eğrileri ... 52
Şekil 5.15. Katkısız ve Ni katkılı ZnO filmlerin yansıma eğrileri ... 52
Şekil 5.16. Katkısız ve Ni katkılı ZnO filmlerin αhν hν eğrileri ... 53
Şekil 5.17. Katkısız ve Al katkılı CdO filmlerin soğrulma eğrileri ... 54
Şekil 5.18. Katkısız ve Al katkılı CdO İnce filmlerin geçirgenlik eğrileri ... 55
Şekil 5.19. Katkısız ve Al katkılı CdO İnce filmlerin yansıma eğrileri ... 56
Şekil 5.20. Katkısız ve Al katkılı CdO filmlerin αhν hν eğrileri ... 57
Şekil 5.21. Al/p-Si/CdO/Al diyotları hazırlama aşamaları ... 59
Şekil 5.22. Al/p-Si/ZnO/Al diyotları hazırlama aşamaları ... 60
Şekil 5.23. VAKSİS PVD-HANDY/2S-TE çift resistif ısıtma kaynaklı buharlaştırma sistemi ... 61
Şekil 5.24. Al/p-Si/CdO/Al ve Al/p-Si/ZnO/Al diyotların I-V ve C-V ölçümleri için kullanılan deney düzeneği ... 61
Şekil 5.25. Katkısız ve %0.1- %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların I-V eğrileri ... 62
Şekil 5.26. Katkısız, %0.1, %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotun log I-V grafiği ... 64
Şekil 5.27. CdO katkısız, %0.1ve %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların 1 MHz C-V eğrileri ... 66
Şekil 5.28. Katkısız , %0.1 ve %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların 1 MHz Cadj eğrileri ... 66
Şekil 5.29. CdO katkısız, %0.1 ve %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların 100 kHz C-V eğrileri ... 67
X
Şekil 5.30. Katkısız, %0.1 ve %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların 100 kHz Cadj
eğrileri ... 68
Şekil 5.31. a. Katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyot b. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyot c. %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların farklı frekanslardaki C-V eğrileri ... 70
Şekil 5.32. a. Katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyot b. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyot c. %1 Al katkılı Al/p- Si/CdO/Al diyotların 1 MHz altındaki C-2-V grafikleri ... 72
Şekil 5.33. a. katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyot b. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyot c. %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların farklı frekanslarda çizilen Cadj eğrileri ... 73
Şekil 5.34. a. Katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyot b. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyot c. %1 Al katkılı Al/p- Si/CdO/Al diyotların farklı frekanslardaki Gadj eğrileri ... 75
Şekil 5.35. a. Katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyot b. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyot c. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotların Dit eğrileri... 77
Şekil 5.36. Katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V eğrileri 78 Şekil 5.37. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V eğrileri ... 78
Şekil 5.38. %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V grafiği ... 79
Şekil 5.39. Katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyotun Iph-P eğrisi ... 80
Şekil 5.40. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotun Iph-P eğrisi ... 80
Şekil 5.41. %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotun Iph-P eğrisi ... 81
Şekil 5.42. Katkısız Al/p-Si/CdO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t eğrisi .. 82
Şekil 5.43. %0.1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t eğrisi ... 83
Şekil 5.44. %1 Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t eğrisi ... 84
Şekil 5.45. Katkısız, %0.1- %0.2 - %0.5 - %1ve %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların I-V karakteristikleri ... 85
Şekil 5.46. Katkısız, %0.1, %0.2, %0.5, %1 ve %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun log I-V eğrileri ... 86
XI
Şekil 5.47. Katkısız ,%0.1- %0.2- %0.5- %1ve %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların 1 MHz C-V eğrileri ... 87 Şekil 5.48. Katkısız, %0.1- %0.2- %0.5- %1ve %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al
diyotların 1 MHz Cadj eğrileri ... 88
Şekil 5.49. Katkısız, %0.1- %0.2- %0.5- %1, %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların 100 kHz C-V eğrileri ... 89 Şekil 5.50. Katkısız %0.1- %0.2- %0.5- %1ve %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al
diyotların 100 kHz Cadj eğrileri ... 89
Şekil 5.51. a. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyot b. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot c. %0.2 Ni katkılı Si/ZnO/Al diyot d. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot e. %1 Ni katkılı Al/p-Al/p-Si/ZnO/Al diyot f. %1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların farklı frekanslardaki C-V eğrileri ... 93 Şekil 5.52. a. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyot b. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot
c. %0.2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot d. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot e. %1 Ni katkılı Si/ZnO/Al diyot f. %1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların 1 MHz altındaki C-2-V eğrileri ... 96 Şekil 5.53. a. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyot b. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot
c. %0.2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot d. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot e. %1 Ni katkılı Si/ZnO/Al diyot f. %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların farklı frekanslardaki Cadj eğrileri ... 99
Şekil 5.54. a. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyot b. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot c. %0.2 Ni katkılı Al/pSi/ZnO/Al diyot d. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot e. %1 Ni katkılı Si/ZnO/Al diyot f. %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların farklı frekanslardaki Gadj eğrileri ... 102
Şekil 5.55. a. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyot b. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot c. %0.2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot d. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyot e. %1 Ni katkılı Si/ZnO/Al diyot f. %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotların Dit eğrileri... 105
Şekil 5.56. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V karakteristikleri ... 106 Şekil 5.57. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V
XII
Şekil 5.58. %0.2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V karakteristiği ... 107 Şekil 5.59. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V
karakteristiği ... 108 Şekil 5.60. %1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V
karakteristiği ... 109 Şekil 5.61. %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki I-V
karakteristiği ... 109 Şekil 5.62. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyotun ışık şiddetine karşı fotoakım değişimi .... 110 Şekil 5.63. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun ışık şiddetine karşı fotoakım
değişimi ... 111 Şekil 5.64. %0.2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun ışık şiddetine karşı fotoakım
değişimi ... 111 Şekil 5.65. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun ışık şiddetine karşı fotoakım
değişimi ... 112 Şekil 5.66. %1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun ışık şiddetine karşı fotoakım
değişimi ... 112 Şekil 5.67. %2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun ışık şiddetine karşı fotoakım
değişimi ... 113 Şekil 5.68. Katkısız Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t eğrisi 114
Şekil 5.69. %0.1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t
eğrisi ... 115 Şekil 5.70. %0.2 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t
eğrisi ... 116 Şekil 5.71. %0.5 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t
eğrisi ... 117 Şekil 5.72. %1 Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph-t
eğrisi ... 118 Şekil 5.73. %2 Nikel katkılı Al/p-Si/ZnO/Al diyotun farklı ışık şiddetleri altındaki Iph
XIII
TABLOLAR LİSTESİ
Sayfa No
Tablo 4.1. ZnO ‘in temel fiziksel özellikleri ... 32
Tablo 4.2. Kübik CdO’in Özellikleri ... 37
Tablo 5.1. CdO numunelerin kristal yapı parametreleri ... 43
Tablo 5.2. ZnO numunelerinin kristal yapı parametreleri ... 44
Tablo 5.3. Katkılı ve katkısız CdO filmlerin AFM ölçüm sonuçları ... 50
Tablo 5.4. Katkılı ve katkısız ZnO filmlerin AFM ölçüm sonuçları ... 50
Tablo 5.5. Katkılı ve katkısız ZnO filmlerin yasak enerji aralığı (Eg) değerleri ... 54
Tablo 5.6. Katkılı ve katkısız CdO filmlerin yasak enerji aralığı (Eg) değerleri ... 57
Tablo 5.7. Al/p-Si/CdO/Al diyotlar için elde edilen idealite faktörü, engel yüksekliği ve doğrultma oranı değerleri ... 63
Tablo 5.8. Al/p-Si/CdO/Al diyotların I. ve II. bölge için m değerleri ... 64
Tablo 5.9. Al/p-Si/CdO/Al diyotların elektronik parametreleri ... 70
Tablo 5.10. Al/p-Si/CdO/Al diyotlar için elde edilen m değerleri ... 81
Tablo 5.11. Al/p-Si/ZnO/Al diyotların elektriksel parametreleri ... 85
Tablo 5.12. Al/p-Si/ZnO/Al diyotların I ve II bölge için m değerleri ... 86
Tablo 5.13. Al/p-Si/ZnO/Al diyotların elektronik parametreleri ... 93
XIV
KISALTMALAR VE SİMGELER
Simge Birim
ρ : Özdirenç (ohm-cm)
σ : Elektriksel iletkenlik (s/cm)
Eg : Yasak enerji aralığı (eV)
Ec : İletim bandı enerji seviyesi (eV)
Ev : Valans bandı enerji seviyesi (eV)
EF : Fermi enerji seviyesi (eV)
η : Enerji dönüşüm verimi -
µ : Elektronların mobilitesi (cm2/V.s)
I : Akım (A)
J : Akım yoğunluğu (A/cm2)
p : Boşluk konsantrasyonu (cm-3)
n : Elektron konsantrasyonu (cm-3)
T : Mutlak sıcaklık (K)
I0 : Ters besleme doyma akımı (A)
n : İdealite faktörü -
hυ : Foton enerjisi (eV)
R : Direnç (Ω)
Rs : Seri direnç (Ω)
Rsh : Şönt direnci (Ω)
P : Güç (Watt)
FF : Doldurma faktörü (%)
Voc : Açık devre voltajı (V)
Isc : Kısa devre akımı (A)
ϕb : Engel yüksekliği (eV)
e : Elektronun yükü (C)
E : Elektrik alan (N/C)
eV : Elektron volt -
f (E) : Fermi-Dirac dağılım fonksiyonu
h : Planck sabiti (J.s)
XV
m*e : Elektronun etkin kütlesi (g)
m *
h : Holün etkin kütlesi (g)
g(E) :Elektron durum yoğunluğu
k :Dalga vektörü - m : Eğim - T : Sıcaklık (K) V : Uygulanan voltaj (V) λ : Dalga boyu (nm) ν,ω : Frekans (Hz) c :Işık hızı (m/sn)
∆Ε : Aktivasyon enerjisi (eV)
kB : Boltzman sabiti (J/K)
RR :Doğrultma oranı -
IF :Doğru polarma akımı (A)
IR :Ters polarma akımı (A)
Cadj :Düzeltilmiş kapasite (F)
Gadj :Düzeltilmiş iletkenlik (S)
Dit :Arayüzey durum yoğunluğu (eV-1cm-2)
Iph :Fotoakım (A)
Iaçma/Ikapama:Fotoiletkenlik oranı -
Ni :Nikel
Al :Alimünyum
ZnO :Çinko oksit CdO :Kadmiyum oksit Vbi :Difüzyon potansiyeli
1 1. GİRİŞ
Nano yapılı malzemeler, nano yapılı devrelerdeki mevcut uygulamaları elektronik, optik, opto elektronik vb. uygulamalarından dolayı bilimsel olarak geniş çapta çalışılmaktadır [62-65]. Çalışılan nano yapılı malzemeler arasında nano teknoloji için çalışılan en önemli elementlerden biri çinko oksittir (ZnO) [57].
ZnO, yüksek elektriksel iletkenliğe ve oda sıcaklığında yaklaşık 3,37 eV’ luk doğrudan geçişli yasak enerji aralığına sahiptir [18,26]. Periyodik tabloda II-VI grup yarıiletken olup yüksek bir Eksiton enerjisine (60meV) sahiptir. ZnO yariletken ince filmler, elektronik ve optik aygıtlar için uygun yapıda malzemelerdir. Yarıiletkenlerde elektron taşınma mekanizması, düşük ve yüksek elektrik alanlarda farklılıklar gösterir. Düşük elektriksel alanda, ZnO’in sahip olduğu elektronların enerji dağılımı, fazla değişime uğramaz. Çünkü elektronlar, uygulanan elektrik alandan fazla enerji alamazlar [19,22]. Bu nedenle ZnO’in elektron mobilitesi sabit olacaktır. Buna bağlı olarak saçılma oranı, elektron mobilitesi ile belirlendiği için, saçılma oranında da fazla bir değişim olmayacaktır. Yüksek elektrik alanda, uygulanan elektrik alanından dolayı elektronların enerjileri kendi termal enerjileriyle karşılaştırılabilir ve elektron dağılım fonksiyonu, dengede sahip olduğu değerden daha uzak bir değere doğru sapacaktır [14,15]. Bu elektronlar, örgü sıcaklığında daha yüksek sıcaklığa sahip elektronlar olmaktadır. Elektron sürüklenme hızları, kararlı durumda sahip oldukları sürüklenme hızından büyüktür. Bu nedenle yüksek frekansa sahip devre elemanları yapmak olasıdır [20,21]. ZnO’in optik, elektronik ve mekanik özellikleri nano devreler için büyük önem arz etmektedir. ZnO, İnce film transistörleri (TTF) , piezoelektronik devreler, yüksek güçlü elektronik devreler, Led diyotlar, alan etkili transistörler, varistörler, sensörler, güneş pilleri, nano tüpler, nano çubuklar, nano fiberler vb. birçok elektronik devre elemanı yapımında kullanılmaktadır [57-70]. Literatürde son yıllarda yapılan çalışmalara bakıldığında, ZnO’in birçok element ile katkılanarak n-tipi ve p-tipi yarıiletkenlerin elde edildiği görülmektedir. ZnO’te katkılanan elementler ile ZnO’in elektriksel, optik ve manyetik özellikleri değiştirilmektedir [62-65].
Birçok farklı metot kullanılarak yüksek kalitede ZnO ince filmler hazırlanabilir. Bu yöntemlerden bazıları manyetik püskürtme yöntemi, metal-organik kimyasal buharlaştırma (MOCVD) yöntemi, darbeli-lazer kaplama (PLD) yöntemi, moleküler ışın epitaksi (MBE) yöntemi ve sol jel yöntemidir [61,63].
2
II-VI grup yarıiletkenlerden biri de kadminyum oksittir (CdO). Bu yarıiletken oda sıcaklığında 2,2-2,8 eV’luk yasak enerji aralığına sahiptir. Katkısız CdO bileşiği n-tipi yarıiletken özelliği gösterir ve n-tipi yarıiletkenliğin kaynağı olarak oksijen boşlukları ile donör olarak davranan ara yer Cd atomları gösterilmektedir [70]. Kristal örgüde var olan ara yer Cd atomlarından dolayı stokiyometrik olmayan bir durum söz konusudur. Katkısız CdO içine farklı elementler In, Sn, F vb. katkılanarak iletkenlik değeri artırılabilir [26,61]. CdO yariletken bileşiği görünür bölgede yüksek optiksel geçirgenliğe sahiptir. Mobilitesi 64 cm2/Vs ve özdirenci 4.87x10–4Ω.cm’dir [1]. Yüksek elektriksel iletkenliği, elektron mobilitesine (~200 cm2 V-1s-1), yüksek taşıyıcı yoğunluğuna ve doğasında var olan non-stokiyometri nedeniyle oluşmuş sığ donörlere bağlıdır [69-71]. Katkısız halde bile oldukça yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahiptir. Taşıyıcı yoğunluğu sıcaklığa duyarlıdır ve sıcaklık arttığında taşıyıcı yoğunluğu azalırken elektron mobilitesi ~1’den ~220 cm2 V-1s-1’e çıkar [26,57-61]. CdO yariletken malzemesi aynı zamanda SnO2, ZnO gibi saydam iletken oksit
(transparent conducting oxide, TCO) grubunda yer alır [34]. Çeşitli saydam iletken oksit ince filmler arasında CdO en az dikkat çekenidir. Bunun sebebi olarak, Cd atomlarının insan sağlığı için zararlı olması ve CdO’in düşük yasak enerji aralığına sahip olmasıdır [33]. Diğer taraftan mevcut saydam yarıiletken oksitlerden 5-10 kat daha fazla elektron mobilitesine sahip olması ise CdO için önemli bir avantajdır. Ayrıca CdO, uygun elektriksel iletkenlik ve optiksel geçirgenlik özellikleri ile görünür bölgeden kızıl ötesine kadar, geniş bir dalga boyu aralığında kullanım potansiyeli olan yarıiletken bir malzemedir. Spektrumunun görünür bölgesinde yüksek elektriksel iletkenlik ve optiksel geçirgenlik özelliklerinden dolayı CdO, yarıiletken opto elektronik devre uygulamalarında özellikle de gaz sensörleri, foto diyotlar, fotovoltaik güneş hücreleri vb. birçok uygulamada kullanılmaktadırlar [26,33,69]. CdO optik özelliğinden dolayı katkısız ve Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al foto diyotlarında kullanıldı.
Mevcut yöntemler arasında kolay ve maliyetinin düşük olması gibi bazı avantajlarından dolayı genellikle sol jel yöntemi tercih edilmektedir. Sol jel yöntemi ile elektronik devre uygulamaları için gerekli olan yüksek kalitede ince filmler, düşük maliyetli ve basit aparatlarla hazırlanabilir [57-70]. Bu nedenle bu çalışmada, katkısız ve Ni katkılı Al/p-Si/ZnO/Al foto diyotlar ile katkısız ve Al katkılı Al/p-Si/CdO/Al foto diyotların üretimi için sol jel yöntemi kullanıldı.
3 2. YARIİLETKEN MALZEMELER
Katı malzemeler elektriksel iletkenlik özelliklerine göre üç gruba ayrılırlar. Bunlar; 10-6 - 10-4 Ωm arasında özdirenç değerlerine sahip olan “metaller”, 10-4 - 1010 Ωm arasında özdirenç değerlerine sahip “yariletkenler” ve özdirençleri 1010 Ωm değerine eşit ya da
büyük olan “yalıtkan”lardır [1,2]. Yarıiletken malzemelerin enerji bandlarının yapıları yalıtkan maddelere benzemesine rağmen aralarında önemli bir fark vardır. Yariletkenlerin elektronlarla tamamen dolu olan valans bandı ve boş olan iletkenlik bandı arasında kalan yasak enerji aralığı, yalıtkanlara göre daha küçüktür [4]. Yariletkenlerin elektriksel iletkenliği sıcaklıkla değişir, sıcaklık arttıkça iletkenliği de artar. Fakat mutlak sıfırda (T=0K) elektriksel iletkenlik özelliği bakımından tıpkı bir yalıtkan gibi davranırlar. Yariletkenlerin yasak enerji aralığı 3,8 eV’tan küçük, yalıtkanların 4 eV’tan büyüktür [4,9].
Günümüzde özellikleri en iyi bilinen ve en çok kullanılan yariletkenler IV. Grup elementleri olan Germanyum ve Silisyum elementleridir. Yariletkenlerin diğer önemli bir bölümünü de III-V grup bileşikleri olan GaAs, InSb, GaP, InAs vb. oluşturur. Bu bileşikler periyodik tablonun üçüncü ve beşinci grup elementlerinin bileşik oluşturacak şekilde bir araya gelmesiyle oluşurlar [11,13]. Bu tip elementler kübik yapıda kristallenir ve bağ yapısı çoğunlukla kovalenttir. Yariletken özellik gösteren diğer bir grup ise II-VI grup bileşikler CdZnS, ZnS, ZnO, CdS, CdSe vb. dir. Bu bileşiklerin bağ kurma şekilleri iyonik veya kovalent bağ olup, kübik veya hekzagonal yapıda kristallenirler [10,14].
Yariletken malzemelerin elektriksel iletkenliği geçici veya kalıcı olarak geniş bir aralıkta kontrol edilebilir. Yariletken malzemeler farklı malzemelerle katkılandırıldığında, elektriksel özellikleri önemli ölçüde değişmektedir.
Yeterli katkılama malzemesi ile yarıiletkenler neredeyse metaller kadar iletken yapılabilir [14]. Enjekte edilen katkı malzemenin türüne bağlı olarak yarıiletkenin katkılanmış bölgesi daha fazla elektron veya boşluk içerebilir [16].
Elektronların iletime daha çok katkı sağladığı yarıiletkenlere n-tipi yarıiletken, boşlukların iletime daha çok katkı sağladığı yarıiletkenler ise p-tipi yarıiletken olarak isimlendirilir [1,4,5,10].
4
Katılarda olduğu gibi yarıiletkenlerde de elektronların çekirdeğe bağlı enerji seviyelerini bulundukları kabuk belirler (Şekil 2.1).
Şekil 2.1. Çekirdekten uzaklıklarına göre elektron enerji seviyeleri [76].
Enerji bandlarının her biri farklı kuantum durumları ile ilgilidir ve çekirdeğe yakın olan durumların çoğu doludur. Bu durumlara valans bandı denir. Yarıiletkenlerin ve yalıtkanların, metallerden farklı olarak valans bandı neredeyse tamamen doludur. Yarıiletkenlerdeki elektronlar valans bandından iletim bandına band genişliğine bağlı olarak uyarılabilir [6,9]. Yalıtkanlar ile yarıiletkenler arasındaki bu fark band aralığının genişliğinden kaynaklanır. Bir yarıiletkenin sıcaklığı mutlak sıfırın üstüne çıkartıldığında elektronların bir kısmı valans bandından iletim bandına geçebilecek enerjiye ulaşırken, iletim bandına geçen elektronlar valans bandında işgal edilmemiş elektron boşlukları bırakırlar [9,13]. Hem iletim bandındaki elektronlar hem de valans bandındaki boşluklar elektriksel iletkenliğe katkıda bulunurlar.
Boşluklar tek başlarına hareket etmezler ancak komşu elektronlar bu boşlukları doldurarak geride yeni bir boşluk oluştururlar [13,16].
5
Şekil 2.2. a.Yarıiletkenlerin band yapısı [4]. b. Yarıiletkenlerde elektron ve boşluk hareketi [16].
Bu şekilde valans banddan iletim bandına doğru oluşan elektron hareketi ile elektriksel iletkenlik sağlanmış olur [2].
Elektronların enerji seviyeleri hangi enerji durumlarının boş hangi enerji durumlarının dolu olduğu Fermi-Dirac istatistiği ile tanımlanır. Bu dağılım elektronların sıcaklık ve Fermi enerjisi veya Fermi düzeyi ile karakterize edilir [4]. Mutlak sıfırın altındaki şartlarda Fermi enerjisi elektronların işgal ettiği en üst enerji düzeyi olarak tanımlanabilir [5,13]. Daha yüksek sıcaklıklarda Fermi enerjisi bir durumun işgal edilme olasılığının 0,5 eV’a düştüğü enerji olarak tanımlanabilir [16]. Burada herhangi bir T sıcaklığındaki sistemde enerjisi E olan bir seviyenin bir elektron tarafından işgal edilme olasılığı Fermi-Dirac dağılım fonksiyonu,
/ (2.1) ile verilir. Burada EF Fermi enerji seviyesi, kB Boltzmann sabiti ve T mutlak sıcaklıktır.
f(E) fonksiyonun E enerjisine göre değişimi Şekil 2.3.’te görülmektedir. Bu fonksiyonun E enerjisine göre değişimi sıcaklığa bağlı olarak incelenirse [28,36];
T→0 K iken E<EF için E-EF/kBT → -∞ olur. E>EF için E-EF/kBT → ∞ olur. Bu
durumda f (E<EF)=1 ve f (E>EF)=0 olur. Buna göre EF’nin altındaki tüm enerji seviyeleri
6
T=0 K ve E=EF durumuna göre f(E)=1/2 olur. Yani durumların dolu olma olasılığı
yüzde ellidir.
(E−EF) >> kBT olması durumunda ise denklem 2.1’deki eşitlik Maxwell-Boltzman
dağılım fonksiyonuna dönüşür ve bufonksiyon,
(2.2)
şeklindedir. Buna göre iletim bandındaki elektron konsantrasyonu hesaplanabilir. Bu durumda (E, E+EF) enerji aralığı bölgesindeki durumların sayısı g(E)dE’ye eşit olur ve
g(E) elektron durum yoğunluğudur. Bu durumların her birinin işgal edilme olasılığı f(E) ise, bu enerji aralığı bölgesinde bulunan elektronların yoğunluğu f(E)gdE olur [36].
Fakat sıcaklık ne olursa olsun E=EF olması durumunda fermi enerji seviyesinin bir
elektron tarafından işgal edilme ihtimali daima f(E)=1/2 dir [28].
7
Şekil 2.4. Yarıiletkenlerin E-k ve E konum grafiği [16].
Yariletkenlerde iletim bandının enerji seviyesi,
ħ
(2.3)
ifadesi ile verilir [28]. Burada Ei İletim bandının enerji seviyesi, Eg yasak enerji aralığı, k
dalga vektörü, m*
e elektronların etkin kütlesidir. Aynı şekilde yarıiletkenlerde valans
bandının enerji seviyesi ise,
ħ
! (2.4)
ifadesi ile verilir [28]. Burada Ev valans bandının enerji seviyesi, k dalga vektörü, m*h
boşlukların etkin kütlesidir.
Yarıiletkenlerde yasak enerji aralığı sıcaklığa bağlı olarak değişmekte olup bu değişim çok büyük değildir. Bu değişimin temel nedeni ısıya bağlı olarak örgü sabitinin değişmesidir. Yasak enerji aralığı basınç ile de değiştirilebilir. Bu nedenle yarıiletkenlerin bazı özellikleri yüksek basınç altında incelenir [16,28].
2.1. Katkılı Yarıiletkenler
Yarıiletkenler, katkısız elde edilme zorluklarından dolayı yarıiletken devre elemanlarının üretiminde katkılı yarıiletkenler kullanılmaktadır [8]. Katkılı yarıiletkenlerin elektriksel ve optik özellikleri kristal yapı içerisine katkılandırılan katkı maddesinin atomik yapısına bağlıdır [1,2]. Yariletken malzemenin içerisine katkılandırılan katkı maddesi
8
kendi doğal enerji band yapısını bozarak, yarıiletken içerisinde kendine özgü enerji seviyeleri oluşturur [4,5]. Buna göre yarıiletkene enjekte edilen katkı maddesinin atomu, yarıiletkene elektron vererek iyonlaşır (verici-donör) ve iletkenliğe katkıda bulunursa “n- tipi yarıiletken”, yarıiletkene enjekte edilen katkı maddesinin atomu yarıiletkenden elektron alarak iyonlaşır (alıcı-akseptör) ve iletkenliğe katkıda bulunursa “p-tipi yarıiletken” olarak adlandırılır ve yarıiletken elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılır [1,5,8,].
2.2. n-Tipi Yarıiletkenler
Yarıiletkenlerde elektriksel iletkenlik elektronlar ile sağlanıyorsa bu tip yarıiletkenlere n-tipi yarıiletkenler denir. Bu durumda yarıiletken donör atomlarıyla katkılanmıştır [8,16]. Örneğin IV. grup elementlerinden silisyum kristaline V. grup elementlerinden P, As, Sb, vb. elementlerden biri katkılanarak n-tipi silisyum yarıiletken elde edilebilir [8,10]. Katkı maddesi olarak kullanılan V. grup elementlerinin son yörüngelerinde beş serbest elektronu vardır [14]. Silisyum kristali V. grup elementlerinden arsenik (As) ile katkılandığında; silisyumun son yörüngesinde dört serbest elektron var iken katkı maddesi olarak enjekte edilen As’in beş serbest elektronu vardır [8,26]. Kristal yapı içerisinde As atomunun dört elektronu silisyum atomunun dört elektronu ile kovalent bağ oluştururken, As atomunun beşinci elektronu As atomuna zayıf bir elektriksel kuvvetle bağlanır [13,26]. Bundan dolayı küçük enerjilerle As atomu iyonlaşabilmekte ve bu elektron kristal yapı içerisinde As atomundan bağımsız hareket edebilmektedir [14,19]. As atomu silisyum kristaline bir elektron verdiği için As atomu donör atomudur. Donör atomu ile katkılanan silisyum kristali n-tipi yariletken özelliği gösterir ve n-tipi yarıiletkenlerde [2] elektron yoğunluğu fazla olduğundan dolayı elektronların elektriksel iletkenliğe katkısı boşluklardan daha fazladır [16,19].
9
a. b.
Şekil 2.5. a. As katkılı silisyum kristali [26]. b. n-tipi yarıiletkenlerin band yapısı [12].
2.3. p-Tipi Yarıiletkenler
Yarıiletkenlerde elektriksel iletkenlik holler ile sağlanıyorsa bu tip yarıiletkenlere p-tipi yariletken denir [8,13]. p-tipi yarıiletkenlerde boşluk yoğunluğu elektron yoğunluğundan fazladır [2]. Örneğin; silisyum Ga ile katkılandığında, Ga’un son yörüngesinde üç serbest elektronu olmasından dolayı Ga atomu, silisyum atomu ile arasında kovalent bağ oluştururken silisyumun bir elektronu boşta kalır ve boşta kalan bu elektron silisyumun başka bir elektronunu yakalayarak bağ oluşturur [8-10]. Bu eksik elektronun valans bandından yani si-si kovalent bağından alınarak doldurulması için gerekli enerji seviyesi oldukça küçüktür (0,04 eV) [7,8]. Bu durumda Ga atomu elektron alan akseptördür ve dışarıdan elektron almış olması hollerin oluşmasını sağlar [9,16].
Bu şekilde valans bandında boşluk oluşurken iletim bandına elektron çıkmaz ve p-tipi yarıiletken oluşmuş olur [13,26]. p-p-tipi yarıiletkenlerde boşlukların elektriksel iletkenliğe katkısı elektronlardan daha fazladır [9,16].
10
a. b.
Şekil 2.6. a. Ga katkılı silisyum kristali [26]. b. p-tipi yarıiletkenlerin band yapısı [12].
2.4. Katkısız Yarıiletkenler
Katkı veya örgü kusuru içermeyen yarıiletkenler, katkısız (saf) yarıiletken malzeme olarak tanımlanır. Böyle bir malzemenin valans bandı, mutlak sıfırda elektronlarla dolu iken, iletim bandında serbest elektron bulunmamaktadır [7]. Sıcaklık arttıkça kırılmış valans bağların sayısı artar ve bu nedenle serbest elektronların ve boşlukların konsantrasyonu da artar [1,19]. Katkısız yarıiletkenlerde iletkenlik bandındaki elektronların yoğunluğu, değerlik bandındaki boşlukların yoğunluğuna eşittir [4,9]. Çünkü bir elektron termal uyarma sonucu valans bandında bir boşluk bırakarak iletim bandına geçer [1,4,5].
Bu malzemelerde elektriksel veya termal enerji ile uyarılan elektronlar yasak enerji aralığını aşarak iletim bandına geçerler ve bu şekilde elektriksel iletkenlik sağlarlar [16,22,26]. Katkısız yarıiletkenlere örnek olarak Germanyum (Ge) ve Silisyum (Si) verilebilir. Yarıiletken enerji band diyagramı T=0 K ve T>0 K sıcaklıklarındaki durumları şekil 2.7.a’da görüldüğü gibi T=0 K sıcaklıkta yarıiletkende herhangi bir taşıyıcı hareketi oluşmaz [10,16]. Ancak, şekil 2.7.b’de görüldüğü gibi sıcaklık T>0 K yükseltildiğinde, yasak enerji aralığını aşacak seviyede bir enerjiyi alan elektronlar valans bandından iletim bandına geçerler. Bu şekilde oluşan elektron hareketi ile elektriksel iletkenlik sağlanır [8,9,13].
11
a. T=0 K b. T>0 K
Şekil 2.7. Katkısız yarıiletkenlerin farklı sıcaklıklardaki iletim ve valans bandı [5].
Fakat valans bandındaki hareket boşluklarla sınırlı olacaktır. Çünkü valans banddan uyarılan bir elektron geride bir boşluk bırakacak ve tekrar başka bir boşluğa geçmesi durumunda bu sefer en son olduğu yerde de bir boşluk bırakmış olacaktır [8,19]. Bu olay, elektronlarla boşlukların yer değiştirmesi gibi düşünülebilir. Bu durum bize elektron hareketine zıt yönde hareket eden ve kütlesi elektron kütlesi gibi olan bir parçacığın tanımlanması imkânını verir ve buna boşluk (boşluk, deşik, boşluk) denir [10,26]. Valans bandındaki boşluk yoğunluğu ile iletim bandındaki elektron yoğunluğu birbirine eşit olduğundan bu malzeme katkısız yarıiletken olarak tanımlanır [9,26].
a. b.
12 2.5. Yarıiletkenlerin Elektriksel Özellikleri
Katılarda elektriksel iletkenliğin sağlanabilmesi için, elektrik yüklü parçacıkların (elektronların) hareket edebilmeleri ve onların gidebilecekleri enerji düzeyinin boş olması gerekir [1,5]. Aksi takdirde elektron hareketi gerçekleşmez [4,11]. Dolu bir banda voltaj uygulansa bile elektron hareketi oluşmaz. Bu durum, Şekil.2.9’da gösterilen valans ve iletim bandları çeşitli konumlarında ele alınarak açıklanmıştır [5,16].
Şekil 2.9.a. incelendiğinde, valans band tamamen dolu değildir ve elektronun gidebileceği bir enerji düzeyi bandda mevcuttur [2,16]. Bu durumda elektronun hareket etmesine bir engel yoktur ve çok küçük bir potansiyel farkta bile, sıcaklık ne olursa olsun elektriksel iletkenlik sağlanır. Bu katılar metallerdir ve bunların elektriksel iletimleri çok iyidir [2,5,18].
Şekil 2.9.b. incelendiğinde, bu tür katılarda valans bandın tamamen dolu ve iletim bandının da tamamen boş olması gerekir fakat durum öyle değildir. Elektronlar kendilerine ayrılan enerji düzeyinden daha aşağıda boş enerji düzeyleri varsa kural olarak oraya giderler [1,2]. Böyle bir yapıda da iletim bandının alt kısmı ile valans bandının üst kısmı örtüştüğünden dolu olmasını beklediğimiz valans bandın üst kısmındaki elektronlar, boş olan iletim bandının alt kısımlarına geçerler [18,22]. Bu durumda da elektronların hareket edebilmeleri mümkün olur ve elektriksel iletkenlik oluşur. Ancak geçiş yapan elektron miktarının az olmasından dolayı metaller kadar elektrik akımını iyi iletmezler ve yarı metal olarak adlandırılırlar [5].
Şekil 2.9. T=0 K sıcaklıkta iletim bandı ile valans bandındaki elektron doluluk durumları ve bandların enerji eksenine göre konumları [8].
13
Şekil 2.9.c. ve d incelendiğinde iki şekil arasındaki tek farkın, iletim bandı ile valans bandı arasındaki Egile gösterilen yasak enerji aralığının Şekil 2.9.c’de daha küçük,
Şekil 2.9.d’de ise daha büyük olmasıdır [2,5,18]. Egiçin kesin bir sınır olmamakla beraber
Eg değeri 3,8 eV’tan küçük olan katılara yarıiletken, Eg değeri 4 eV ve daha büyük olan
katılara da yalıtkan denir [16]. Her iki katı için de, valans bandlarının tamamen dolu ve iletim bandlarının da tamamen boş olması sonucu elektriksel iletkenliğin sağlanamayacağı düşünülebilir, fakat bu durum yalıtkanlar için doğru olsa da, yariletkenlerin mutlak sıfır sıcaklıktaki durumu için geçerlidir [2,5,18].
Yarıiletkenlerin oda sıcaklığındaki (300K) durumu farklıdır. Oda sıcaklığında ortamdan Eg kadar enerjiyi alan valans bandındaki elektronlar iletim bandına geçebilirler.
Bu durumda hem iletim bandında hem de valans bandında elektron hareketi gözlenir [13,16]. Yarıiletkenlerde gözlenebilen bu elektron hareketini, yalıtkanlarda gözlemlemek mümkün değildir. Bu şekilde katıların elektriksel iletkenliklerinde band yapılarının ne kadar önemli olduğu görülmektedir. Band yapılarına bağlı olarak elektriksel iletkenlik temel ohm kanunu kullanılarak incelenir [2,5,13]. Ohm kanunu,
V I.R
(2.5)şeklinde tanımlanır. İfadede R direnç, I akım ve V voltajdır. Herhangi bir malzemenin özdirenci ise,
' (*)
(2.6) şeklinde verilir [2], ifadede ρ malzemenin özdirenci, L malzemenin uzunluğu, A malzemenin tesir kesit alanıdır. Denklem 2.5’te R yerine yazılır ve bazı düzenlemeler yapılırsa,
+
)
*,. (
(2.7)
ifadesi elde edilir. Burada V/l elektrik alanı, I/A akım yoğunludur. Buna göre elektrik alanı,
14
E J.ρ
(2.8)ifadesi ile elde edilir [2,13]. Yarıiletken içerisindeki serbest elektron yükleri bir elektrik alanı içerisinde hareket ederek J akım yoğunluğunu oluşturur. Elektrik alanının, akım yoğunluğuna oranı o maddenin özdirencini tanımlar ve özdirenç,
( 10
(2.9)
ifadesi elde edilir [2]. Burada bir malzemenin elektriksel iletkenliği, elektrik alanı başına düşen akım yoğunluğudur. Aynı zamanda bir malzemenin iletkenliği,
G
3(2.10) şeklinde tanımlanır ve malzemenin özelliği,
σ
5 (2.11) olarak verilir. Malzemenin uçlarına uygulanan voltaja bağlı olarak oluşan J akım yoğunluğunun büyüklüğü,J q.n.v
(2.12) bağıntısı ile ifade edilir. Burada q elektrik yükü, n birim hacimdeki iletim elektronlarının sayısı, v ise elektrik yükünün hızıdır. Sıcaklığın etkisi de dikkate alındığında elektriksel iletkenlik,
9 9:. ;0/ < (2.13)
bağıntısı ile ifade edilir [2]. Burada σ0 bir sabit, σ öziletkenlik, T sıcaklık, kB Boltzman
15 2.6. Yarıiletkenlerin Optik Özellikleri
Valans bandında bulunan elektronların iletim bandına geçişi termal yollarla sağlanacağı gibi optik yollar ile elektronlar uyarılarak yasak enerji aralığını geçebilmelerini sağlamak mümkündür [11,16].
Şekil 2.10.a’da görüldüğü gibi foton enerjisi tamamen elektrona aktarılmış olup aktarılan bu foton enerjisi sayesinde elektron valans bandında bir boşluk oluşturarak iletim bandına geçmiştir [11]. Bu olay gerçekleştiğinde, fotonun malzeme tarafından tamamen soğrulduğunu söyleyebiliriz. Burada elektron hareketi oluşturacak foton enerjisinin en az yarıiletkenin yasak enerjisine eşit olması gerekir [7,16] ve foton enerjisi,
=> ?@A
(2.14)
şeklinde ifade edilir.
Şekil 2.10.b’de görüldüğü gibi iletim bandındaki bir elektron valans bandındaki boşluk ile birleşerek sahip olduğu enerjiyi foton yayınımıyla dışarı verir ve bu da ışık yayan diyotların (LED), yarıiletken lazerlerin temelini oluşturur [11].
Fakat bütün yarıiletkenler ışık üretme kapasitesine sahip değildir. Çünkü bu özellik tamamen yarıiletkenin, kristal yapısındaki elektron ve boşlukların özellikleri, E enerjisi ve k dalga vektörü ile belirlenir [16]. Bir elektron ve boşluk ancak bu iki büyüklük korunursa birleşirler.
16
Şekil 2.10. a. Fotonun enerjisi, hv, yarıiletkenin enerjisinden büyük olmak şartıyla tek bir
fotonun bir elektronu valans bandına uyarması
b. Bir elektron ile bir boşluk birleşerek enerjisi hv olan bir foton üretmesi [11].
Uygun frekanstaki foton, enerjinin korunumunu sağladığı için uygun frekanstaki fotonun dalga vektörü ihmal edilebilir ve bu da elektronun dalga vektörünü etkilemez [11,16]. Bunun sonucunda, ışık yayınımı elektronun en düşük iletkenlik enerjisi halinde ve boşluk’un en yüksek valans enerjisi halinde olmasıyla gerçekleşir [3]. Bu özellikleri gösteren bazı yarıiletkenler, GaAs, InSb ve InAs vb.’dir. Bu malzemeler direk yasak enerjili malzemeler olarak adlandırılırlar. Silisyum ve Germanyum gibi yarıiletkenler bu şartı sağlamadıklarından dolayı ışık yaymazlar ve bu yüzden LED diyotlar, yariletken lazerler vb. devre elemanların yapımında kullanılmazlar [11].
17 3. FOTO DİYOTLAR
Foto diyotlar ters besleme altında çalışan ve besleme voltajı uygulandıktan sonra üzerine ışık düştüğünde ancak iletime geçebilen bir devre elemanıdır. Anot ve Katot olmak üzere iki elektriksel kontağı vardır [25]. Doğru beslemede normal diyot gibi çalışır. Foto diyot üzerine düşen ışık bir mercek sayesinde p-n jonksiyonu üzerine odaklanır. Foton enerjisini alan valans banddaki elektronlar iletim bandına geçerek foto diyot üzerinden akımın geçmesini sağlar [24]. Foto diyot üzerinden geçen akım, ışık şiddeti ile doğru orantılı olarak değişir. Foto diyot üzerine düşen ışık şiddeti arttığında p-n yüzey birleşimindeki direnç azalır ve buna bağlı olarak foto diyot üzerinden geçen akım artarken, ışık şiddeti azalınca p-n yüzey birleşimindeki direnç artacağından foto diyot üzerinden geçen akım da azalır [24,25].
Foto diyotların ışığa karşı hassasiyetleri yüksek olduğundan ışığa bağlı çalışan lüksmetrelerde, elektronik alarm devrelerinde, optik sayıcılarda, bilgisayarlarda, fotoğraf makinelerinde, transistor, tristör gibi devre elemanlarının tetikleme devrelerinde, haberleşme sistemlerinde vb. kontrol ve kumanda devrelerinde kullanılır [29,30].
a. b. c.
Şekil 3.1. Foto diyotun sembolü, yapısı ve karakteristik eğrisi [76].
3.1. Metal Yarıiletken Foto Diyotlar
Bir foto diyot, elektronik işlemler esnasında optik sinyaller oluşturan bir sensör olup, yüksek bir elektrik alanı ile boşaltılmış yarıiletken bölgesinde serbest yük taşıyıcılarına sahiptir [31]. Tükenim bölgesinde oluşan foto taşıyıcılar, yüksek alanın
18
varlığından dolayı malzemenin uç kısmında toplanırlar. Şekil 3.2’de bir metal-yarıiletken ekleminin tipik enerji-band diyagramını göstermektedir [3].
Bir metal-yarıiletken diyot, yüksek verimli foto detektörler için kullanılabilir. Foton enerjisine ve potansiyel farkı eğimine bağlı olarak değişik diyot çeşitleri düşünülebilir. Diyotun üç çalışma modu vardır [3,24,25]. Bu modlar,
1. Eg > hv > q
φ
b ve V< VB için burada VB engel aşma (çığ bozulma) voltajıdır vemetal içinde foto uyarımlı elektronlar engel potansiyelini aşabilir ve yarıiletken içinde toplanırlar. Bu işlem, metal yarıiletken diyotlarda engel yüksekliğini belirlemede ve metal filmde sıcak-elektron geçişinde kullanılır [3].
2. hv > Eg ve V < VB için radyasyon, yarıiletkende boşluk-elektron çiftini üretir ve diyotun genel karakteristiği p-i-n foto diyotuna benzer şekilde olur [3].
3. hv > Eg ve V > VB için diyot, foto diyot olarak çığ bozulma bölgesinde çalışabilir
şekildedir.
Foto diyotun çalışması, diyot eklemi içinde foto taşıyıcıların yer değiştirmesine dayanır [3]. Doğrultucu ekleme ışık geldiği zaman, yeterli enerjiye ( hv>Eg ) sahip olan fotonlar soğrulur [30]. Oluşan fazlalık elektronlar ve boşluklar difüzyon eklem alanı ile yayılır ve diyotun farklı taraflarında toplanırlar [29]. Eğer diyot, dış yüke bağlanırsa soğrulan fotonların ve oluşan taşıyıcıların sayısıyla orantılı olarak bir akım oluşur.
19
Foto diyotlar, diyotun yapısına ve kontakların tipine göre;
a. p-n eklem diyotlar b. Schottky diyotlar c. p-i-n diyotlar
d. heteroeklem diyotlar olarak dört gruba ayrılır [3,24].
Şekil 3.3’te bir foto diyotun polarmalandırılması görülmektedir [24]. Bir yarıiletkenin band aralığından daha yüksek enerji ile gelen fotonlar, yarıiletken tabakanın içinde soğrulabilmeleri için belirli bir olasılığa sahiptirler [3,24]. Böyle başarılı bir soğurma işlemi, serbest elektron-boşluk çiftinin oluşumundan kaynaklanmaktadır. Eğer kontaklara bir ters besleme voltajı uygulanırsa, yani anot, katottan daha düşük potansiyele sahip olursa, yarıiletken karşısında elektrik alanı oluşur [30]. Elektronlar ve boşluklar zıt yönlerde sürüklenirler, yani elektronlar katoda doğru boşluklarda anoda doğru sürüklenir [25]. Böyle bir taşıma işlemi dış devrede elektrik akımı meydana getirir ve bu akıma fotoakım denilmektedir. Sonuçta foto dedeksiyon olayı,
1. Yarıiletkende fotonların soğrulması ve taşıyıcıların oluşumu 2. Yerel elektrik alanı altında taşıyıcıların sürüklenmesi
3. Malzeme kontaklarında taşıyıcıların toplanması olarak özetlenebilir.
Foto diyotun üzerine düşen fotonların yarıiletken malzemenin içinde ilerlemesi, ışığın dalga boyuna bağlıdır [29]. Dalga boyu düşük olan ışınlar (ultraviyole) yüzeyde emilirken kızılötesi ışınlar ise yarıiletkenin derinliklerine kadar ilerler [3].
3.2. Heteroeklem Foto Diyotlar
Heteroeklem yapılar gelişmiş yarıiletken cihazların birçoğunun temelinde yer almaktadır. Yüksek performanslı optik kaynaklar ve detektörler için vazgeçilmez önemli bir elemandır [31]. Yüksek hızlı ve yüksek frekanslı analog cihazların yapımında giderek artan bir uygulama alanına sahiptir. Heteroeklem yapılar farklı yasak enerji aralığına sahip iki yarıiletkenin birbiri üzerine büyütülmesiyle oluşur [23].
Bu yarıiletkenlerin enerji aralığındaki farklılık başka bir serbestlik derecesi sağlar. Heteroeklem yapıların belirgin özelliklerinden dolayı çeşitli devrelerde başarılı uygulamaları vardır [24]. Heteroeklem iletkenlikleri aynı veya farklı yarıiletkenlerle oluşturulabilir. İletkenlikleri aynı olan yarıiletkenlerle oluşturulan heteroeklem isotype heteroeklem olarak adlandırılırken, iletkenlikleri farklı olan iki yarıiletken ile oluşturulanlar ise anisotype heteroeklem olarak adlandırılmaktadır. Heteroeklem yapı özellikle Lazer, Led diyotlar, Foto diyotlar, güneş pilleri vb. birçok elektronik devre elemanı yapımında kullanılır [23,31].
Farklı band genişliklerine sahip iki yarıiletken arasında oluşturulan bir heteroeklem ile foto diyot oluşturulabilir. Bu foto diyotların önemli avantajlarından biri kuantum veriminin yüzeyden eklemin mesafesine bağlı olmamasıdır. Çünkü malzemenin geniş bir band aralığı gelen optik enerjinin geçirgenliği için saydam bir pencere olarak kullanılabilir [24]. Buna ek olarak heteroeklem yapı cevap hızı ve kuantum verimi için eşsiz bir malzeme kombinasyonu sağlayabilir ve verilen bir optik sinyalin dalga boyu için optimize edilebilir. Diğer bir avantajı ise karanlık akımının düşük olmasıdır [24,25].
Heteroeklem ile düşük sızıntı akımı elde etmek için kullanılan iki yarıiletkenin örgü değişmezleri benzer ve uygun olmalıdır. Bu diyotlar InGaAs ve InAlAs’a uygun örgü ve bir InP altlık kullanılarak yapılmışlardır (Eg≅0.73eV). Bu yapılar uzun dalga boylarında
daha iyi bir performansa ve band genişliklerine sahip olmalarından dolayı Ge foto diyotlara göre daha iyi bir performansa sahip olmaları beklenir. Yapısal soğurmanın yanında geniş bir soğurma faktörü de verir. Yüksek cevap hızı vermek için en ince katkı boyutu kullanılabilir. Başka bir yaygın sistem GaAs altlık üzerine kullanılan AlGaAs’dır. Bu heteroeklemlerin dalga boyu aralığı 0.65-0.85 µm arasında olup fotonik devrelerin üretilmesinde kullanılan önemli bir yapıdır [24].
Şekil 3.4. InP altlık üzerine oluşturulmuş heteroeklem foto diyotlar [24].
3.3. Foto Diyotların Akım-Voltaj Karakteristiği
Foto diyotların akım-voltaj (I-V) karakteristiği diyot eklemindeki akım taşıma mekanizmaları ile belirlenir. Farklı akım taşıma mekanizmaları metal-yarıiletken eklemleri (Schottky, MSM foto diyotlar) ve p-n eklemlerine bağlı olarak meydana gelebilir [41]. Foto diyotun akım-voltaj karakteristiği şekil olarak normal bir diyotunkine benzemektedir. Şekil.3.5’te foto diyotun karanlık ve aydınlatılmış durumlardaki akım-voltaj karakteristiğini göstermektedir. Foto diyotun duyarlı yüzeyine ışık düşmüyorsa foto diyot üzerinden akan akım, termal yoldan azınlık taşıyıcılarıyla oluşan akımdır. Bu akıma karanlık akımı denir [3]. Şekil 3.5’teki A eğrisi foto diyotun karanlık durumdaki, B ve C eğrileri ise foto diyotun ışık altındaki akım-voltaj karakteristiğini göstermektedir. Şekil de görüldüğü gibi foto diyotun karakteristiği dört bölgeden oluşmaktadır. Birinci (1) bölgede, akım ve voltaj değerleri pozitiftir. Bu bölgede foto diyot doğru polarmalandırılmıştır ve bu bölge foto diyot uygulamaları için uygun değildir, çünkü bu bölgede çalıştırılan foto diyot normal bir diyot gibi davranmaktadır. İkinci (2) bölgede foto diyotun cevabı yoktur. Üçüncü (3) bölgede sadece çok küçük bir Is akımı akar [41-43]. Foto diyotun aktif alanı
üzerine gelen ışığın şiddeti artırıldığında bu bölgedeki eğriler bütünüyle, negatif akım yönünde aşağıya doğru değişecektir. V=0 ekseninde bu eğrilerin akım eksenini kestiği nokta kısa-devre akımı Isc’yi verir. Sıfır akım noktalarında eğrilerin voltaj eksenini kestiği
noktalar ise açık-devre voltajı Voc’yi verir [3].
Çok yüksek ters polarma voltajlarında akım hızlıca artar ve diyotun bozulması söz konusu olabilir. Bu ters bozulma bölgesidir. Bu nedenle üçüncü (3) bölge, ters polarma voltajının uygulandığı bölge olup ışığı algılamak için uygun olan bölgedir [42]. Dördüncü (4) bölge ise foto diyotun foto voltaik bölgesidir.
Foto diyotlar üç ana karakteristiğe sahiptirler ki bunlar; a. Akım-voltaj karakteristiği
b. Kuantum verimi karakteristiği
c. Band genişliği (çalışma hızı) karakteristiği
Bir foto diyotun performansı bu üç karakterizasyon ile ölçülür. Düşük karanlık akımı ve yüksek bozulma voltajı, diyot eklem niteliğinin iki göstergesidir. Düşük karanlık akımı, daha yüksek duyarlılık anlamına gelir ve foto diyota ışık uygulanmaksızın ters polarma altında diyot içinde akan akımdır [3].
Bir foto diyota, yeterince yüksek ters polarma voltajı uygulandığında diyot çığ bozulma bölgesinde çalışır [3]. Bu ters polarma voltajının değeri bozulma voltajına karşılık gelir ve foto diyotun çalışması için uygulanabilen ters polarma voltajı sınırını belirler. Bu değerden sonra, kazanç ve çarpma mekanizmaları diyotun çalışmasını gerçekleştirmeye başlar [43].
Şekil 3.5. Foto diyotun karanlık ve aydınlatılmış durumlardaki akım-voltaj karakteristikleri [3].
Foto diyot prensipte bir akım kaynağıdır ve yeterli miktarda ışık aldığında çalışmaya başlar. Işık foto diyotun içinde zayıf bir akımın oluşmasına neden olmaktadır. Foto diyota voltajın uygulanması sonucunda, devrede bir yük direncinin bulunması nedeniyle fotoakım meydana gelir. Bu yük dış devre direncinin toplamıdır. Fotoakımın etkinliği küçük bir kısmı iç direnci üzerinde oluşurken, büyük bir kısmı da dış devre
direnci üzerinde oluşmaktadır [41-46]. Dolayısıyla foto diyot, bir voltaj kaynağı (foto voltaik) veya bir akım kaynağı (iletkenlik bölgesi) olarak kullanılabilir.
Bir Schottky foto diyotunun doğru akımı analiz edilerek ters besleme doyma akımı, engel yüksekliği, idealite faktörü ve seri direnç gibi diyot parametreleri belirlenebilir. I0 ve
ϕb V=0’da doğru besleme akımı fit edilerek bulunabilir. İdealite faktörü(n) doğru polarma
I-V eğrisinin (dV/dI) eğimi ile belirlenir [43-45].
3.3.1. Fotovoltaik Etkiler
Foto diyot, bir voltaj kaynağı veya bir akım kaynağı olarak kullanılabilir. Yani akım ve voltaj kaynağı olarak iki çeşit çalışma şekli vardır. Şekil 3.6’da görüldüğü gibi, fotovoltaik durumda yani voltaj kaynağı çalışma şeklinde foto diyotun üzerinde elde edilen voltaj önce ışık şiddetiyle doğrusal ve daha sonra ise logaritmik olarak değişmektedir [3]. Burada foto diyota paralel bağlı yük direnci çok yüksek değerde seçilmiştir. Oysa yük direnci yaklaşık olarak diyotun dinamik iç direnci değerine eşit olacak şekilde küçük bir değerde seçildiğinde voltajın değişimi doğrusal olur. Normalde, bir foto diyot için ne tam logaritmik ne de tam doğrusal çalışabilir demek doğru bir yaklaşım olmasına rağmen, foto diyota düşen ışık şiddetine bağlı elde edilen voltaj tam doğrusal olarak değişmektedir. Benzer şekilde, Şekil 3.6.b’de görüldüğü gibi uygulanan voltajın artması ile diyotun akımı doğrusal bir değişim göstermektedir [45-50].
Çok küçük bir direncin bağlanmasıyla elde edilen foto diyot eğrisi oldukça doğrusal bir karakteristik göstermesine rağmen hassasiyet çok küçük değerlerde olabilir. Bunun içinde yük direncinin değerini artırmak gerekmektedir. Voltaj kaynağı olarak kullanılmasında çıkış voltajı ile ışık şiddeti aşağı yukarı logaritmik değişir [3]. Ancak bu durum, yük direnci değerinin 10 MΩ veya daha fazla olduğunda geçerlidir. 10 MΩ’ un altında artık logaritmik değişimden söz edilemez. Böylece eğer foto diyot voltaj kaynağı olarak devreye alınmışsa ve yüksek değerde bir yük direnci üzerinde çalışıyorsa ışık şiddetine göre voltajın değişimi logaritmik olacaktır. Bu durumda yük direncinin foto diyotun anot ve katoduna bağlandığını belirtmek gerekir [13].
Şekil 3.6. Foto diyotun, a. V=f(E), I=f(E) eğrileri [3]. b. I
K=f(V) eğrileri [3].
3.3.2. Hacimsel Fotovoltaik Etkiler
1931’in başlarına kadar Dember, bakır oksit materyalinin soğurma bölgesinin güçlü bir ışık ile aydınlatıldığı zaman, bakır oksit numunesine karşı oluşan bir potansiyelin olduğunu ileri sürdü ve daha sonra bu olay Dember etkisi olarak adlandırıldı. Bu durum daha sonra elmas, çinko sülfat, germanyum, silikon ve kadmiyum sülfat vb. elementlerde de gözlemlendi [45-49]. Kallmann ve Pope ilk olarak antrasen (anthracene) kristalinin ana soğurma bölgesinin λ=3650Å dalga boylu güçlü bir ışık ile aydınlatıldığında 0,2 V’a kadar aydınlatılan yüzeyin negatif kutuplanması ile organik kristallerin oluştuğunu gösterdi [50]. Bu olay, aydınlatılan yüzeyden aydınlatılmayan yüzeye olan elektronlardan daha foto üretici boşlukların difüzyonuna atfedildi. Çünkü antrasen kristallerinde boşluk mobilitesi, elektron mobilitesinden daha büyüktür. O zamandan beri birçok araştırmacı organik kristallerdeki fotovoltaik etkilerini araştırmaktadır [51–52]. Vladimirov ve arkadaşları ile Vertsimakha ve arkadaşları, eğer antrasen kristali önemsiz soğrulmaya maruz kalması halinde yani λ>4000Å dalga boylu ışık ile aydınlatıldığı durumda fotovoltaik üreticinin polaritesi Kallmann ve Pope tarafından ileri sürülene ters düştüğünü belirttiler [50]. Onlar bu olayı, kristaldeki tuzaklardan yük taşıyıcıların serbest bırakılan fotonlara ve aydınlatılan yüzeydeki band bükülmelerinin oluşumuna atfeder. Foto voltaj aralığın spektral dağılımının soğurma spektrumu ile yakın bir ilişkisinin olduğu ve ışık yoğunluğunun değişimi sadece foto voltaj ile değiştiğini ancak, bu ilişkinin çok da etkili olmadığını ve foto voltajın yüzey şartlarına duyarlı olduğu bilinmektedir [52–54].
3.3.3. Yüzeysel Fotovoltaik Etkiler
Foto diyotların yüzeysel fotovoltaik etkileri, yüksek elektrik alan uygulamasıyla yüzey potansiyel engelini azaltmak ve ışık yoğunluğunu artırarak numuneyi uyarmak için incelenir [3]. Yüzey foto voltajı özellikle yüzeydeki enerji bandının eğiliminden kaynaklanır. Foto voltajın büyüklüğü ve işareti numune yüzeyinin yüzey durumlarıyla birbirlerine güçlü bir şekilde bağlıdır [47-51].
Organik yarıiletken p-n eklemleri gibi n-tipi ve p-tipi organik yarıiletkenin bileşenleriyle bir fotovoltaik malzeme oluşturabilir. Organik fotovoltaik malzemelerde fotoakım 10-9-10-8A ve foto voltaj 200 mV’a kadar bulunmuştur. Işık yoğunluğunun arttırılması ile fotoakım da artar ve eklemdeki elektronlar ışık aydınlatmasının yönünü hesaba katmaksızın p-tipi materyalden n-tipi materyale doğru hareket ederler [3].
3.3.4. Fotovoltaik Parametreler
Foto diyotların veya güneş pillerinin yük karakteristikleri çeşitli parametrelerin analizi ile yapılır. Bu parametreler; spektral kuantum verimi (η), açık-devre voltajı (Voc),
kısa devre akımı (Isc), doldurma faktörü (FF), maksimum güç noktasındaki voltaj (Vm),
maksimum güç noktasındaki akım (Im), maksimum çıkış gücü (Pm), seri direnç (Rs) ve şönt
direnç (Rsh)’tir [3,54].
3.3.4.1. Açık-Devre Voltajı
Aydınlatma altındaki diyotun akım-voltaj karakteristiğinde eğrinin voltaj eksenini kestiği değere açık-devre voltajı (Voc) denir ve akımın sıfır olduğu durumda belirlenir.
Buda,
BC@ DE <F G HI JD,,KLKG 1N (3.1)
ifadesi ile verilir [54]. Denklem 3.1’de anlaşılacağı gibi n’nin yüksek değerleri ile yüksek açık-devre voltajları elde edilebilir fakat bu her zaman geçerli olan bir durum değildir. Çünkü yüksek n, genelde Is’nin yüksek değerleri ile mümkündür. p-n eklemleri için her
zaman n’nin (1 e yakın) düşük değerleri için daha yüksektir. Aydınlatma şiddeti ile Isc ve
Voc’nin değişimi Şekil 3.7’de gösterilmiştir [52-55].
3.3.4.2. Kısa Devre Akımı
Kısa devre akımı (Isc) çıkış akımı olup uygulanan voltaj ile ideal durumda (Rs ve
Rsh dirençlerinin etkileri yok olduğu zaman) aydınlatma altında oluşmaya başlar. Bu akım
gelen foton sayısı ve aydınlanma şiddeti ile orantılıdır [3]. 3.3.4.3. Spektral Cevap
Spektral cevap, belirli dalga boylarında yüzeye gelen fotonların sayısı ile bağlantılı olup her bir dalga boyundaki toplam fotoakım, bir malzemenin spektral cevabını belirler [3]. Bir iç spektral cevap SR(λ) numuneye gelen fotonların sayısı ile ilgili kısa-devre şartları altında oluşan elektron-boşluk çiftinin sayısıdır ve,
O'P 1QA
FRAJ3ANFRAJ3AN1SA FRAJ3AN1TUA (3.2)
bağıntısı ile verilir [54]. Dış spektral cevap SR(λ)ext ise, bir numunenin yüzeyinden daha
düşük refleksiyon ile azalabilen bir iç tepki cevabı olup,
O'P VW O'PJ1 'PN (3.3)
ifadesi ile verilir. Toplam fotoakım yoğunluğuna katkı sağlayan bu terimler, Jp(λ) boşluk
difüzyon akım yoğunluğu, Jn(λ) elektron difüzyon akım yoğunluğu, Jdr sürüklenme akım
yoğunluğudur [51-54]. 3.3.4.4. Seri Direnç
Bir foto diyotun seri direnci metal kontakların ve altlığın hacminin direnci devrede Şekil 3.7’de gösterildiği gibidir. Seri dirençler, fotovoltaik durumdaki foto diyotun doğrusallığını tanımlamak için kullanılır. Bir foto diyodun seri direnci,
'X YZY*[T 5 '@ (3.4)
bağıntısı ile hesaplanır [3]. İfade de W0 altlık kalınlığı, Wd tükenim bölgesinin genişliği, Aj
eklemin yayıldığı alan, ρ altlığın öz direnci ve Rc kontak direncidir. İdeal foto diyotların
seri dirence sahip olmaması gerektiği halde 10-1000 ohm arasında değişen seri dirence sahip oldukları görülmüştür [47-50].
3.3.4.5. Şönt Direnci
Bir foto diyotun şönt direnci bir akım kaynağı olarak gösterilebilir. Şönt direnç başlangıcı V=0’da olan foto diyotun akım-voltaj eğrisinin eğimidir. İdeal bir foto diyot için şönt direnci sonsuz (Rsh=∞) ve seri direnci sıfır (Rs=0) olmalıdır. Ancak gerçekte şönt
direnç birkaç mega ohm ile giga ohm arasında değişen değerler alır. Şönt direnç foto diyota besleme voltajı uygulanmadığı durumlardaki gürültü akımını tanımlamak için kullanılır. Şönt direnç deneysel olarak foto diyota ± 10 mV uygulanarak foto diyotun etkin direnci hesaplanarak elde edilir. Bir foto diyot ne kadar yüksek bir şönt dirence sahip olursa o kadar ideal olur. Şönt direncin devredeki gösterimi Şekil 3.7.a’da görülmektedir [3].
3.3.4.6. Kuantum Verimi
Bir foto diyotun kuantum verimi, fotoakımı sağlayan ve foto diyota gelen foton sayısının yüzdesidir. Yani foto diyotun gelen ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirme yeteneğine kuantum verimi denir ve yüzde (%) olarak ifade edilir. Kuantum verimi ile foto diyot duyarlılığı aşağıda verilen eşitlikle birbirine bağlıdır [41-45].
\. 3]….._öab cb S S
3]………..dT eb f100 (3.5)
\. 'A?@AF (3.6)
